DE69020278T2 - Verfahren zur Herstellung von lösliche Siltgruppen enthaltenden Siloxanharzen mit einem niedrigen Gehalt an Silanolgruppen. - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von lösliche Siltgruppen enthaltenden Siloxanharzen mit einem niedrigen Gehalt an Silanolgruppen.Info
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- C08G—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
- C08G77/00—Macromolecular compounds obtained by reactions forming a linkage containing silicon with or without sulfur, nitrogen, oxygen or carbon in the main chain of the macromolecule
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- C08G77/12—Polysiloxanes containing silicon bound to hydrogen
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Description
- Diese Erfindung bezieht sich auf ein verbessertes Verfahren zur Hydrolyse von Hydridosilanen mit 2 oder mehreren hydrolysierbaren Gruppen, um ein Polymer zu bilden, wobei dieses Verfahren das Bilden eines arylsulfonsäurehydrathaltigen Hydrolysemediums, die Zugaben des Silans zu dem Hydrolysemedium, Fördern der Hydrolyse des Silans, um das Polymer zu bilden, Ruhenlassen des Hydrolysemediums und Polymers zu einer Säureschicht und einer organischen Schicht> die das Polymer enthält, Trennen der organischen Schicht von der Säureschicht, Inkontaktbringen der organischen Schicht mit einem Neutralisierungsmittel und Trennen der organischen Schicht von dem Neutralisierungsmittel enthält.
- Verfahren zur Hydrolyse von Silanen sind in US-A-2 901 460 und US-A-3 489 782 offenbart.
- US-A-3 615 272 offenbart ein Verfahren für die Herstellung eines kondensierten löslichen Wasserstoffsilsesquioxanharzes, frei von Hydroxylgehalt der allgemeinen Formel (HSiO3/2)m durch Kondensation von Trichlor-, Trimethoxy- oder Triacetoxysilan in einem Zweiphasen-Reaktionsmedium, das konzentrierte Schwefelsäure und einen aromatischen Kohlenwasserstoff enthält.
- Es ist unerwartet festgestellt worden, daß das Verfahren der vorliegenden Erfindung ein verbessertes, kommerziell lebensfähiges Verfahren für die Synthese von in Kohlenwasserstoff löslichen Siloxanharzen zur Verfügung stellt.
- Die Erfindung stellt ein Verfahren zur Hydrolyse eines Silans der Formel HaSiX4-a, worin a = 1 oder 2 und X eine hydrolysierbare Gruppe, ausgewählt aus Halogenen, organischen Gruppen, die mit dem Siliciumatom über eine Sauerstoffbindung verknüpft sind, Schwefel-funktionelle Gruppen und Stickstoff-funktionelle Gruppen, um ein Polymer, das Einheiten der Formel HaSiO(4-a)/2 enthält, herzustellen, wobei das Verfahren umfaßt:
- Bildung eines Hydrolysemediums, das ein Arylsulfonsäurehydrat enthält,
- Zugabe einer Flüssigkeit, die das Silan enthält, zu dem gerührten Hydrolysemedium,
- Fördern der Hydrolyse des Silans in dem Hydrolysemedium, um das Polymer zu bilden,
- Ruhenlassen des Hydrolysemediums und des Polymers zu nicht miteinander mischbaren Schichten, die eine Säureschicht und eine organische Schicht enthalten, wobei die organische Schicht das Polymer enthält,
- Abtrennen der organischen Schicht von der Säureschicht und Waschen der organischen Schicht mit wäßriger Schwefelsäure,
- die organische Schicht mit einem Neutralisierungsmittel in Kontakt bringen, das ausreichend basisch ist, um die verbliebenen Säurespezien zu neutralisieren, aber nicht ausreichend basisch ist, um die Umlagerung des Polymers oder die Solvolyse von Siliciumhydriden zu katalysieren, wobei das Neutralisierungsmittel in fester Form vorliegt und ausgewählt wird aus Calciumcarbonat, Natriumcarbonat, Natriumhydrogencarbonat, Ammoniumcarbonat, Calciumoxid und Calciumhydroxid, und
- Abtrennen der organischen Schicht von dem Neutralisierungsmittel.
- Dieses Verfahren kann sowohl auf einer individuellen absatzweisen Basis als auch in einer kontinuierlichen Verfahrensweise durchgeführt werden.
- Die Verbindung, die in der obigen Reaktion hydrolysiert werden soll, kann jedes Hydridosilan mit 2 oder mehr hydrolysierbaren Substituenten sein und kann durch die Formel HaSiX4-a repräsentiert werden, worin a 1 oder 2 sein kann und X gleich oder unterschiedlich sein kann und jede hydrolysierbare Gruppe einschließen kann. Geeignete hydrolysierbare Substituenten können z.B. Halogene, wie z.B. F, Cl, Br oder I und organische Gruppen, die über ein Sauerstoffatom an das Siliciumatom
- gebunden sind, wie z.B. 0rganoxy(- -O-) oder
- Acyloxy( -O-)-Gruppen beinhalten. Beispiele hydrolysierbarer Gruppen mit der Si-O-C-Verknüpfung beinhalten Alkoxy, wie z.B. Methoxy, Ethoxy, Butoxy oder Hexoxy; Alkenyloxy, wie z.B. Allyloxy; Cycloalkoxy, wie z.B. Cyclopentoxy oder Cyclohexoxy; Aryloxy, wie z.B. Phenoxy oder Naphthoxy; Cycloalkenyloxy, wie z.B. Cyclopentenyloxy; und Acetoxy. Die obigen verschiedenen organischen Gruppen können ebenfalls substituiert sein, z.B. durch Alkyl-, Arylgruppen oder Halogene. Es ist im allgemeinen bevorzugt, daß die organischen Gruppen der obigen Gruppen 1 bis 6 Kohlenstoffatome enthalten, aber Gruppen mit einer größeren Anzahl an Kohlenstoffatomen können ebenfalls verwendet werden. Zusätzliche Beispiele hydrolysierbarer Substituenten können Schwefel-funktionelle Gruppen, wie z.B. Schwefelsäure-, Organoschwefelsäure- oder 0rganosulfonsäuregruppen und Stickstoff-funktionelle Gruppen, wie z.B. Amino- oder Hydrazinogruppen beinhalten.
- Vorzugsweise sind die hydrolysierbaren Gruppen in der obigen Formel Halogene. Infolge der Hydrolyse bilden diese Gruppen ein Wasserstoffhalogenid, das die Hydrolyse und/oder Kondensation erleichtert und einfach von dem Produkt durch Waschen entfernt werden kann. Im Gegensatz dazu, wenn eine Organoxygruppe verwendet wird, werden Alkohole gebildet, die zu der Solvolyse von Si-H-Bindungen und der Bildung von Wasserstoffgas führen können. Obwohl diese letzten Gruppen funktionell sind, können unterstützende Maßnahmen, wie z.B. die Zugabe einer Säure oder einer Base zu dem Hydrolysemedium notwendig sein.
- Das Silan, das am meisten bevorzugt bei der obigen Erfindung verwendet wird, ist Trichlorsilan.
- Die unterschiedlichen Hydridosilane, die oben definiert sind, können allein hydrolysiert werden, cohydrolysiert werden oder mit einem oder mehreren Organosilanen der Formel RaSiX4-a oder R'RSiX&sub2; cohydrolysiert werden, worin a 1 oder 2 ist, X wie oben definiert ist, R Alkyl, wie z.B. Methyl, Ethyl, Propyl, 0ctyl oder Dodecyl, ein Cycloalkyl, wie z.B. Cyclopentyl oder Cyclohexyl, ein Cycloalkenyl, wie z.B. Cyclopentenyl oder Cyclohexenyl, ein Aryl, wie z.B. Phenyl oder Naphthyl, ein ungesättigter Kohlenwasserstoff, wie z.B. Vinyl oder Allyl ist, oder R kann jeder der obigen Gruppen substituiert durch Substituenten, wie z.B. Halogenen, Alkylen oder Arylen einschließen, z.B. Methylcyclohexyl, Phenylethyl oder Chlormethyl sein, und R' R oder H ist.
- Somit kann z.B. ein Cohydrolysat durch Mischen verschiedener Anteile eines Alkyltrihalosilans und eines Wasserstofftrihalosilans oder eines Wasserstofftrihalosilans und eines Dialkyldihalosilans gebildet werden.
- Die obigen Silane werden im allgemeinen in Form einer Flüssigkeit verwendet. Diese Flüssigkeit kann im wesentlichen aus dem Silan in seinem flüssigen Zustand bestehen, oder sie kann das Silan, gelöst in einem Kohlenwasserstofflösungsmittel, um eine Lösung zu bilden, enthalten. Falls ein Lösungsmittel verwendet wird, kann es alle geeigneten Kohlenwasserstoffe, die ein Lösungsmittel für den Silanreaktanten sind, umfassen. Beispielhaft für solche Lösungsmittel sind gesättigte aliphatische Lösungsmittel, wie z.B. Dodecan, n-Pentan, Hexan, n-Heptan und Isooctan; aromatische Lösungsmittel, wie z.B. Benzol, Toluol und Xylol; cycloaliphatische Lösungsmittel, wie z.b. Cyclohexan; halogenierte aliphatische Lösungsmittel, wie z.B. Trichlorethylen und Perchlorethylen; und halogenierte aromatische Lösungsmittel, wie z.B. Brombenzol und Chlorbenzol. Zusätzlich können Kombinationen der obigen Lösungsmittel zusammen als Co-Lösungsmittel für das Silan verwendet werden. Die bevorzugten Kohlenwasserstoffe sind aromatische Verbindungen aufgrund ihrer hohen Flüchtigkeit, und von diesen ist Toluol aufgrund seines Sicherheitsprofils am meisten bevorzugt.
- Das Hydrolysemedium der obigen Erfindung enthält eine Arylsulfonsäurehydratlösung. Die Aryleinheit dieser Verbindung kann z.B. Benzol, Toluol oder Xylol enthalten. Diese Lösung kann entweder durch Auflösen des Arylsulfonsäurehydrats in einem Lösungsmittel, z.B. einem Alkohol, gebildet werden, oder sie kann durch Reaktion eines aromatischen Kohlenwasserstoffes mit konzentrierter Schwefelsäure generiert werden. Die letztere Sulfonierungsreaktion, die den bevorzugten Weg für das obige Hydrolysemedium darstellt, kann wie folgt dargestellt werden:
- H&sub2;SO&sub4; + aromatischem Kohlenwasserstoff T Arylsulfonsäurehydrat.
- Das dadurch gebildete Arylsulfonsäurehydrat stellt das für die Silanhydrolyse notwendige Wasser, wie weiter unten beschrieben, bereit.
- Die Kinetik der obigen Sulfonierungsreaktion wurde untersucht, und es wurde gefunden, daß sie infolge der begrenzten Löslichkeit des aromatischen Kohlenwasserstoffes in Schwefelsäure durch den Massentransfer kontrolliert ist. Durch verbessertes Vermischen und Erwärmen kann daher sowohl die Geschwindigkeit als auch der Umsatz der Reaktion verbessert werden. Z.B. kann die Reaktion in einer Vorrichtung mit Prallplatten, wie z.B. einem Mortonkolben oder in einem Behälter mit Prallplatten mit einem Mehrblatt-Rührmechanismus durchgeführt werden. Wenn die Reaktion in einer solchen Vorrichtung unter Rühren mit einer hohen Rührgeschwindigkeit von ungefähr 200 bis 700 Upm und die Temperatur in einem Bereich von 20 bis 120ºC gehalten wird, kann die Effizienz der Sulfonierung stark verbessert werden. Die Gegenwart von Wasser in dem Hydrolysemedium (sowohl die Menge, die in der Schwefelsäure vorhanden ist, als auch die durch die Reaktion erzeugte) hat sich auf der anderen Seite als Begrenzung der Sulfonierungsreaktion erwiesen. Z.B. wenn molare Mengen an Schwefelsäure und Toluol 1 Stunde lang auf 45 bis 70ºC erhitzt werden und dann 30 bis 60 Minuten bei 45ºC gerührt werden, wird nur ungefähr 50 bis 65 Gew.% Toluolsulfonsäuremonohydrat in der Säurephase gebildet. Wenn aber Wasser durch die Hydrolysereaktion verbraucht wird, läuft die Sulfonierungsreaktion weiter, bis im Mittel 81,6 Gew.% der Toluolsulfonsäure in der Säurephase gebildet werden. Da die obigen Faktoren (d.h. Maß an Rühren, Temperatur und Menge an Wasser) es schwierig machen, daß eine 100%ige Sulfonierung stattfindet, ist es bevorzugt, genug Schwefelsäure und aromatischen Kohlenwasserstoff einzusetzen, um 200% des Wassers, das für die Hydrolyse notwendig ist, zu erzeugen, unter der Annahme, daß 100% Sulfonierung stattfinden würde.
- Die zur Herstellung des Hydrolysemediums verwendete konzentrierte Schwefelsäure kann bis zu 10% Wasser enthalten, z.B. von industrieller Güte sein, der Überschuß an Wasser kann aber, wie oben diskutiert, die Geschwindigkeit und den Umsatz der Sulfonierungsreaktion beeinflussen. Aufgrund dieses Effektes ist die Verwendung von rauchender Schwefelsäure, um Wasserüberschuß in der konzentrierten Schwefelsäure zu verbrauchen, vor der Sulfonierung eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung.
- Die aromatischen Kohlenwasserstoffe, die bei der Sulfonierungsreaktion verwendet werden können, beinhalten Verbindungen, wie z.B. Benzol, Toluol oder Xylol. Benzol und Toluol sind bevorzugt aufgrund ihrer niedrigen Siedepunkte, was es ermöglicht, daß sie leicht verdampft werden können, um das Produkt zu gewinnen. Toluol ist der am meisten bevorzugte Kohlenwasserstoff, da es frei von der bekannten Giftigkeit und Gefahren, die mit der Handhabung von Benzol verbunden sind, ist.
- Wenn das Silan dem Hydrolysemedium zugesetzt wird, findet folgende Reaktion statt:
- Arylsulfonsäurehydat + Silan T Polymer + Arylsulfonsäure + HX,
- worin X die oben definierte hydrolysierbare Gruppe ist. Da die Silanhydrolyse am wahrscheinlichsten an der Grenzfläche der obigen organischen und der Säurephase stattfindet, wird das Hydrolysemedium während der Silanzugabe gerührt, um die Oberfläche für die Reaktion zu vergrößern. Es ist bevorzugt, die Silanzugabe über einen langsamen Zufluß unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche zu zuführen, um die Bildung harzartiger Rückstände an den Wänden des Reaktionsgefäßes zu verhindern, die auftreten als eine Folge der Bildung von gasförmigen Produkten. Während der Zugabe des Silans werden verschiedene Hilfsmaßnahmen, wie z.B. fortgesetztes starkes Rühren und Temperaturkontrolle aufrechterhalten, um eine effiziente Hydrolyse sicherzustellen. Z.B. die verschiedenen, oben beschriebenen, mit Prallplatten versehenen Rühreinrichtungen können mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 200 bis 700 Upm verwendet werden, während die Hydrolysetemperatur im Bereich zwischen 0 bis 80ºC gehalten wird.
- Die Bildung der Arylsulfonsäurehydratlösung kann entweder vor dem Einbringen des Silans stattfinden, oder sie kann zusammen mit der Hydrolyse auftreten. Die Regelung der Reaktionstemperatur ist aber komplexer bei einer gleichzeitigen Addition aufgrund der exothermen Natur der Sulfonierungsreaktion. Demzufolge ist es bevorzugt, das Arylsulfonsäurehydrat vor der Hydrolyse des Silans zu erzeugen, wodurch es möglich ist, die Geschwindigkeit und Temperatur der Hydrolyse durch externes Erwärmen oder Abkühlen effektiver zu kontrollieren.
- Nachdem die Hydrolysereaktion beendet und das Polymer gebildet ist, wird die Mischung durch Stehenlassen phasengetrennt. Dieses Verfahren kann z.B. durch einfaches Aufhören des Rührens der Hydrolysemischung und spontanes Separierenlassen zu nicht miteinander mischbaren Schichten in dem Reaktionsgefäß erreicht werden. Die so gebildeten Schichten enthalten eine organische Schicht, die das Polymer und das organische Lösungsmittel enthält, und eine Säureschicht.
- Die organische Schicht wird dann von der Säureschicht getrennt. Die Trennung kann durch jedes geeignete Mittel, wie z.B. durch Abfließenlassen der einen oder anderen Schicht erreicht werden. Da die untere Schicht im allgemeinen die Säure ist, ist es am besten, z.B. diese Schicht ablaufen zu lassen und das Polymer in dem Reaktionsgefäß zur darauffolgenden Neutralisation zurückzubehalten.
- Die Neutralisation kann durch Inkontaktbringen der organischen Schicht mit dem Neutralisierungsmittel erreicht werden, oder die organische Schicht kann zuerst gewaschen und dann mit dem Neutralisierungsmittel in Kontakt gebracht werden. Der letztere Mechanismus ist im allgemeinen bevorzugt, da viele der Nebenprodukte der Säurereaktion durch Waschen entfernt werden und dadurch die Menge an benötigtem Neutralisierungsmittel verringert wird.
- Falls die organische Schicht gewaschen werden soll, ist die bevorzugte Waschlösung eine wäßrige Schwefelsäurelösung, da es die Bildung einer Emulsion sowie Produktverluste, die als Folge der oberflächenaktiven Natur des Polymers und der Arylsulfonsäure-Nebenprodukte auftreten können, inhibiert. Waschlösungen, die mehr als 5% Schwefelsäure enthalten, sind im allgemeinen anwendbar.
- Die organische Schicht, entweder gewaschen oder ungewaschen, wird mit einem Neutralisierungsmittel, vorzugsweise in Gegenwart einer kleinen Menge an Wasser, die die Hydrolyse jeglichen zurückgebliebenen Silans bewirkt, in Kontakt gebracht. Das Neutralisierungsmittel muß ausreichend basisch sein, um jegliche zurückgebliebenen Säurespezien, wie z.B. Schwefelsäure, Arylsulfonsäure, SiOSOH, SiOSO&sub2;R, Wasserstoffhalogenide, organische Säuren etc. zu neutralisieren und darf aber nicht ausreichend sein, um die Umlagerung des Polymers oder die Solvolyse von Siliciumhydriden zu katalysieren.
- Geeignete Basen, die die obigen nachteiligen Effekte nicht bewirken, können einfach durch einen simplen Versuch bestimmt werden. Bei diesem Versuch wird eine Lösung des Polymers ähnlich zu dem durch das obige Hydrolyseverfahren erzeugten mit der Base vermischt und Zeit und Temperaturbedingungen, die ähnlich zu denen sind, die während der Neutralisation auftreten können, ausgesetzt. Die Basen, die zur Gelbildung oder Solvolyse von SiH-Bindungen, was durch Wasserstoffgasbildung nachgewiesen wird, führen, sollten nicht verwendet werden.
- Die Basen sind Calciumcarbonat, Natriumcarbonat, Natriumhydrogencarbonat, Ammoniumcarbonat, Calciumoxid oder Calciumhydroxid. Die Base wird der organischen Phase als Feststoff zugesetzt. Es wurde aber festgestellt, daß die besten Ergebnisse erhalten werden, wenn die organische Phase nur kurze Zeit in Kontakt mit dem Neutralisierungsmittel steht. Dies kann z.B. durch Rühren in pulverförmigem Neutralisationsmittel, gefolgt durch Filtration oder Durch leiten der organischen Phase über oder durch ein Bett teilchenförmigen Neutralisationsmittels einer Größe, die den Fluß nicht behindert, erreicht werden.
- Der neue Neutralisationsschritt in dem Verfahren bietet mehrere ausgeprägte Vorteile:
- 1) Er vermindert die Bildung von Gelen und Emulsionen, die vorher im Zusammenhang mit dem Waschen in Wasser standen;
- 2) Er reduziert die Niederschläge, die auftreten können, wenn verschiedene Kohlenwasserstofflösungsmittel oder Co- Lösungsmittel verwendet werden;
- 3) Er erlaubt hohe Produktausbeuten bei Vermeidung von Produkt- und Lösungsmittelverlusten, insbesondere, wenn der Prozentsatz an Feststoffen erhöht wird;
- 4) Er führt zu einem Produkt mit einem niedrigen Schwefel- und Säuregehalt;
- 5) Er erlaubt eine schnelle Durchführung und
- 6) er erlaubt eine Durchführung bei höheren Feststoffgehalten.
- Die Entfernung des Neutralisierungsmittels aus der organischen Phase ergibt eine Lösung des erwünschten polymeren Produktes. Es ist aber bevorzugt, daß die neutralisierte organische Phase getrocknet und/oder filtriert wird, um sicherzustellen, daß jegliche wasserlöslichen Salze, die während der Neutralisation gebildet werden, oder jegliche anderen unlöslichen Bestandteile entfernt werden. Dieser Schritt ist erwünscht, da der Einschluß solcher Salze oder unlöslichen Bestandteile im Produkt die Polymereigenschaften nachteilig beeinflussen können. Jegliche geeigneten Trocknungsmittel, wie z.B. Magnesiumsulfat, Natriumsulfat oder ein 3- oder 4-Ångstrom-Molekularsieb können verwendet werden.
- Die feste Form des Polymers kann durch einfache Entfernung des Lösungsmittels gewonnen werden. Das Verfahren der Lösungsmittelentfernung ist nicht kritisch, und zahlreiche Möglichkeiten sind aus dem Stand der Technik bekannt. Z.B. ein Verfahren, enthaltend (1) Abdestillieren des Lösungsmittels bei Atmosphärendruck, um ein Konzentrat mit 40 bis 80% Harz zu bilden, und (2) Entfernen des verbleibenden Lösungsmittels unter Vakuum und gelinder Wärme (0,1 bis 5 Stunden bei 60 bis 120ºC) kann verwendet werden.
- Alternativ, falls es erwünscht ist, das Polymer in Lösung zu haben, kann ein einfacher Lösungsmittelaustausch durch einfaches Zugeben eines zweiten Lösungsmittels und Abdestillieren des ersten durchgeführt werden. Diese Möglichkeit kann insbesondere vorteilhaft sein, wo Ausführungsrichtlinien die Verwendung bestimmter Lösungsmittel beschränken. Die Polymere, die unter Verwendung der Hydrolysereaktion dieser Erfindung erhalten werden können, sind normalerweise unterschiedlich in Abhängigkeit der eingesetzten Silane. Die folgende, nicht einschränkende Liste möglicher Hydrolysate und Co-Hydrolysate wird aber insbesondere ins Auge gefaßt:
- [HSiO3/2]n
- [H&sub2;SiO]m
- [HSiO3/2]x[RSiO3/2]y
- [HSiO3/2]x[RR'SiO]y
- [HSiO3/2]x[RR'SiO]y[SiO&sub2;]z
- [HSiO3/2]x[H&sub2;SiO]y,
- wobei R und R' wie oben definiert sind, n größer oder gleich 2 ist, m größer als oder gleich 3 ist, und die Molanteile x, y und z in der Summe in jedem der obigen Copolymeren 1 ergeben müssen. Von diesen Verbindungen ist insbesondere die Bildung von [HSiO3/2]n von besonderem Interesse aufgrund seiner überlegenen Harzeigenschaften.
- Die obigen Harze sind stark kondensierte Produkte mit nur ungefähr 100 bis 2000 ppm Hydroxylgruppen, die an das Siliciumatom (Silanol) gebunden sind. Sie sind in geeigneten Kohlenwasserstofflösungsmitteln einschließlich der oben diskutierten löslich und sind in diesen Lösungen für Zeiträume von größer als 6 Monaten stabil.
- Bei Erwärmung auf erhöhte Temperaturen in Luft werden die obigen Harze in glatte Schutzschichten aus amorphem Siliciumoxid ohne Löcher oder Risse überführt. S. Haluska et al., US-A-4 756 977. Diese Schutzschichten haben insbesondere bei Beschichtung von elektronischen Schaltkreisen Verwendung gefunden, wo sie als Ausgleichsbeschichtung dienen, um die Integrität der Schaltkreise gegen Umwelteinflüsse zu bewahren. Sie werden direkt auf die zuerst passivierte Schaltkreisoberfläche aufgebracht, um die Verbindungsanschlüsse, Löcher und Risse der primären Passivierung abzudichten und eine anhaftende Oberfläche für darauffolgend aufgebrachte Beschichtungen bereitzustellen.
- Die Harze der Erfindung werden im allgemeinen auf die Oberfläche des elektronischen Teils in Form einer verdünnten Lösung durch Verfahren, wie z.B. Spinnbeschichten, Eintauchbeschichten, Sprühbeschichten oder Flutbeschichten aufgebracht. Das Lösungsmittel wird dann durch Trocknen verdampfen gelassen, um ein homogenes Harz auszubilden, das dann durch Erwärmen keramifiziert wird. Die dünne keramische Schicht, die dadurch erzeugt wird, kann dann weiterhin mit zusätzlichen Passivierungsschichten beschichtet werden.
- Die folgenden, nicht beschränkenden Beispiele werden zur Verfügung gestellt, so daß ein Fachmann die Erfindung besser verstehen kann.
- Das folgende ist ein typisches Beispiel des Hydrolyseprozesses.
- 553,4 g konzentrierter Schwefelsäure (95 bis 98%) und 277,8 g rauchende Schwefelsäure (20% S0&sub3;) (Gesamtsäure = 8,48 mol/831,2 g) wurden in ein 5-1-Gefäß gegeben. Eine exotherme Erwärmung auf 40ºC wurde beobachtet. Eine Stickstoffatmosphäre wurde in dem Gefäß beibehalten, während Toluol (8,43 mol, 775,9 g) mit einer Geschwindigkeit von 19,9 ml/min in die Säure gepumpt wurde. Während der Zugabe wurde die Mischung mit einem Schaufelrührer, der mit ungefähr 500 Upm rotierte, gerührt. Die Temperatur der Mischung stieg nach 24 Minuten auf 62,5ºC, begann danach aber zu fallen. Die Temperatur wurde während der noch verbliebenen Toluolzugabe und während einer 34-minütigen Nachrührphase bei 48ºC gehalten. Als das Rühren beendet wurde, waren zwei Phasen vorhanden; eine organische Phase, die nicht reagiertes Toluol enthielt, und eine Säurephase, die unreagierte Schwefelsäure und 64,8 Gew.% Toluolsulfonsäure enthielt.
- Die Säuremischung wird bei 30ºC gehalten und schnell gerührt (550 bis 600 Upm), während eine 18,2%ige Lösung von Trichlorsilan (430,3 g/3,18 mol) in Toluol (1928 g/20,96 mol) bei einer Geschwindigkeit von 8,7 ml/min unterhalb des Flüssigkeitsspiegels zugegeben wurde. Die Temperatur des Mediums wurde während der 4 Stunden, 52-minütigen Zugabe und während einer 30-minütigen Rührphase nach Beendigung der Reaktion bei 30ºC gehalten. Als das Rühren beendet wurde, separierte die Mischung in zwei Phasen, und 1407,6 g der Säurephase wurden entfernt und analysiert mit dem Ergebnis von 77,5 Gew.% Toluolsulfonsäure. Die Säurezahl der organischen Phase betrug 60 mg KOH/g Probe. Die organische Phase wurde zweimal mit 1 l 50%iger Schwefelsäure mit anschließender Separierung gewaschen. Die Säurezahl der organischen Phase betrug nun 0,76 mg KOH/g Probe. 51,4 g Calciumcarbonat und 3 ml Wasser wurden zugegeben, um die gelinde gerührte organische Phase zu neutralisieren. Die organische Phase wurde durch Zugabe von 145,12 g Magnesiumsulfat getrocknet und durch eine 2,54 cm (1 in.) dicke Schicht von mit Säure gewaschenem Supercell auf einer Glasfrite filtriert. Das Filtrat wurde in einen 3-l-Kolben gegeben und bei 112ºC 72 Minuten lang destilliert. Die resultierende Lösung enthielt 57,7% Feststoffe. Die Lösung wurde geteilt; wobei der erste Teil zu einem Pulver getrocknet und beim zweiten das Lösungsmittel ausgetauscht wurde. Der erste Teil enthielt 136,52 g und wurde bei 60ºC und 3,6 mm Quecksilber 1 Stunde 5 Minuten in einem Rotavapor gestrippt, um 78,82 g eines weißen Pulvers zu ergeben. Der zweite Teil bestand aus 116,9 g, die 112,8 g Dodecan (99%) zugegeben wurden. Das Lösungsmittel wurde durch Destillation unter Vakuum entfernt, bis 156,2 g des toluolfreien Harzes in Dodekan zurückblieben.
- Die Gesamtausbeute an Harz in den beiden Teilen betrug 87,3% (78,82 g in dem Teil, der gestrippt wurde). Das Harz war 100%ig löslich bis zu einem Maximum von 56,7% Feststoffe in Dodekan. Das zahlenmittlere Molekulargewicht M(n) betrug 1464 und bei der Wiederholung 1559. Das gewichtsmittlere Molekulargewicht M(w) betrug 10.258 und 11.012 bei der Wiederholung. Das Z-mittlere Molekulargewicht M(z) betrug 31.091 und 34.804 bei der Wiederholung. Die Molekulargewichtsdispersität Mw/Mn betrug 7,0 und 7,06 bei der Wiederholung. Eine Elementaranalyse des Produktes ergab 34 ppm Chlorid, 0,016% Schwefel, 1,98% Kohlenstoff, 0,89% Wasserstoff, 0,9865% Si-H, < 5 ppm Calcium, < 0,5 ppm Magnesium und 540 ppm Silanol.
- Um das Verfahren der Auswahl geeigneter Neutralisierungsmittel zu demonstrieren, wurden Proben eines Polymers, das in ähnlicher Art und Weise wie in Beispiel 1 hergestellt wurde, in Toluol aufgelöst und mit verschiedenen milden Neutralisierungsmitteln in Kontakt gebracht. Mittel, die nicht zu einer Gasentwicklung oder Gelbildung führten, waren bevorzugt. Andere, die nur langsam eine Gasentwicklung oder Gelierung bewirken, können für die Verwendung geeignet sein, wenn Vorsorge getroffen ist, die Kontaktzeit zwischen Neutralisierungsmittel und Hydrolysat während des Verfahrens der Erfindung zu minimieren. Tabelle 1 - Neutralisations/Phasentrennungs-Untersuchung Jede der folgenden Substanzen wurde zu 2,0 g einer 5,88 (oder 7,59, wo mit * angezeigt) Gew.% Harzlösung in Toluol zugegeben Zugegebene Substanz Natur der oben Phase unten Beobachtungen Wasser wäßriges Heptan Tropfen trockenes klar keine Trennung trüb viskose Grenzflächenschicht vorhanden** geliert in 2 Stunden Mischung geliert unter Gasentwickl. Gel an Grenzfläche nach 2 Stunden schlechte Trennung, Feststoffe an der Grenzfläche geliert mit der Zeit sofortiges Ausgasen und Gelieren trennt sich sofort, stabil n. 17 Tagen
- ** Es wird angenommen, daß die viskos opaque Grenzflächenschicht eine Emulsion ist, die aus dem Mischen der Schichten aufgrund der oberflächenaktiven Natur des Polymers resultiert.
- + Beispiel entsprechend der vorliegenden Erfindung.
Claims (8)
1. Ein Verfahren zur Hydrolyse eines Silans der Formel
HaSiX4-a, worin a gleich 1 oder 2 und X eine
hydrolisierbare Gruppe, ausgewählt aus Halogenen, organischen
Gruppen, die über Sauerstoffbindungen mit dem Siliziumatom
verbunden sind, schwefelfunktionellen Gruppen und
stickstoffunktionellen Gruppen, ist, um Polymere herzustellen,
die Einheiten der Formel HaSiOa(4-a)/2 beinhalten, wobei
die Methode umfaßt:
Bildung eines Hydrolysemediums, das ein
Arylsulfonsäurehydrat enthält,
Zugabe einer Flüssigkeit, die das Silan enthält, zu dem
gerührten Hydrolysemedium,
Fördern der Hydrolyse des Silans in dem Hydrolysemedium,
um das Polymer zu bilden,
Ruhenlassen des Hydrolysemediums und des Polymers zu
nicht miteinander mischbaren Schichten, die eine
Säureschicht und eine organische Schicht enthalten, wobei die
organische Schicht das Polymer enthält,
Abtrennen der organischen Schicht von der Säureschicht,
die organische Schicht mit einem Neutralisierungsmittel
in Kontakt bringen, das ausreichend basisch ist, um die
verbliebenen Säurespezien zu neutralisieren, aber nicht
ausreichend basisch ist, um die Umlagerung des Polymers
oder die Solvolyse von Siliziumhydriden zu katalysieren,
wobei das Neutralisierungsmittel in fester Form vorliegt
und ausgewählt wird aus Kalziumcarbonat, Natriumcarbonat,
Natriumhydrogencarbonat, Ammoniumcarbonat, Kalziumoxid
und Kalziumhydroxid, und
Abtrennen der organischen Schicht von dem
Neutralisierungsmittel.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß nach Abtrennen und vor Neutralisation die organische
Schicht mit wäßriger Schwefelsäure gewaschen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die neutralisierte, organische Schicht getrocknet
und/oder filtriert wird, um sicherzustellen, daß jegliche
wasserlöslichen Salze, die während der Neutralisation
gebildet wurden, oder jegliche anderen unlöslichen
Anteile entfernt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Trockenmittel, ausgewählt aus Magnesiumsulfat,
Natriumsulfat oder einem 0,3 oder 0,4 nm (3 oder 4
Angström) Molekularsieb, verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Flüssigkeit, die das Silan enthält, weiterhin ein
oder mehrere Organosilane der Formeln RaSiX4-a oder
R'RSiX&sub2; enthält, wobei a gleich 1 oder 2, X eine
hydrolysierbare Gruppe, wie in Anspruch 1 definiert, R Alkyl,
Aryl, ungesättigter Kohlenwasserstoff, substituiertes
Alkyl oder substituiertes Aryl und R' gleich R oder H
ist.
6. Verfahren nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet,
daß die Flüssigkeit, die das Silan enthält, aus dem Silan
und einem Kohlenwasserstofflösungsmittel besteht.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Hydrolysemedium durch Zusammengeben eines
aromatischen Kohlenwasserstoffes und konzentrierter
Schwefelsäure gebildet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1 zur Hydrolyse eines Silans
der Formel HSiCl&sub3;, um ein Polymer, das Einheiten der
Formel HSiO3/2 enthält, herzustellen, wobei das Verfahren
beinhaltet:
Bildung eines Toluolsulfonsäurehydrat-Hydrolysemediums
durch Zusammengeben von Toluol und konzentrierter
Schwefelsäure,
Zugeben von Trichlorsilan, gelöst in Toluol, zu dem
gerührten Hydrolysemedium,
Fördern der Hydrolyse des Silans in dem Hydrolysemedium,
um das Polymer zu bilden,
Absetzenlassen des Hydrolysemediums und des Polymers zu
nicht miteinander vermischbaren Schichten, die eine
Säureschicht und eine organische Schicht enthalten, wobei
die organische Schicht das Polymer und Toluol enthält,
Abtrennen der organischen Schicht von der Säureschicht
und Waschen der organischen Schicht mit wäßriger
Schwefelsäure,
Inkontaktbringen der organischen Schicht mit festem
Kalziumcarbonat, um die verbliebenen Säurespezien zu
neutralisieren,
Abtrennen der organischen Schicht von dem
Kalziumcarbonat,
Inkontaktbringen der neutralisierten, organischen Schicht
mit einem Trockenmittel,
Abtrennen der organischen Schicht von dem Trockenmittel
und Abdampfen des Lösungsmittels.
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